全封閉預裝式鋼結構基礎設計與仿真
2024-12-31 00:00:00張文威何顯江王說說崔璐創燕飛飛
機電信息 2024年17期
摘 要：預制艙基礎是預裝式變電站的重要環節，基礎的建設方案通常根據現場實際環境決定，在某些場景下常規的建設方案無法順利解決用戶的困擾。鑒于此，結合傳統的基礎建設方案和使用場景，分析了其優缺點和選擇思路并提出了一種新的基礎建設樣式。以該結構樣式為對象，采用CAE軟件對其雪載、風載、地震荷載強度等進行分析并驗證其可靠性，該方法可分析復雜工程和產品的結構力學性能，優化其結構設計，并在制造之前對設計整體進行風險分析和驗證，縮短了設計周期，降低了生產制造成本。
關鍵詞：預裝式；預制艙；基礎；有限元分析
中圖分類號：TP391.9" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0001-05
DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.001
0" " 引言
預裝式變電站具有占地面積小、建設快捷且周期短、綜合經濟效益明顯的特點，隨著預裝式變電站建站方案的普及，其基礎作業的某些特點也越來越明顯。
土建基礎建設需要根據具體的工程條件、地質條件、建筑物的結構形式以及經濟效益等多方面因素進行綜合考慮。由于建筑抗震、抗沉降等需要，土建基礎需要開挖較深的基坑后制作筏板，再制作箱式基礎。
土方開挖受巖土情況影響較大，在某些山地、海島等環境施工較困難，而混凝土養護嚴重受環境和天氣的影響，導致從開挖到混凝土養護結束的施工周期極長，成本極高。全封閉鋼結構相比土建基礎具有土方作業量小，施工周期短，受氣候、巖土影響小等特點，可以作為預裝式變電站基礎作業方案對土建基礎和架空基礎等的有力補充。
1" " 樣式介紹
1.1" " 土建基礎
使用場景：預制艙所使用的箱式基礎和承臺基礎是一種歷史悠久的建筑基礎樣式，具有工藝成熟、使用可靠的特點，尤其適用于城市、城郊、整體項目施工現場等施工場景。其常見樣式如圖1所示。
優點：土建基礎可視為半永久建筑，其承載可靠，使用壽命長，可與現場電纜溝整體設計施工，適合地質條件良好的建站場所。
1.2" " 鋼結構預制艙基礎
使用場景：通常土建預制艙基礎采用傳統土建方式，因其建設周期長，需重型機械進行土方作業，而所需鋼筋、砂石等建筑材料需大型貨車運抵現場，在偏遠地區會極大地提高附帶建設成本。亦或現場天氣條件較差，雨季、嚴寒等客觀因素造成鋼混施工困難、混凝土養護困難，難以保證土建作業保質保量按時完成，為后續的預制艙工作和項目如期交付帶來極大困難。此類情況下可采用鋼結構預制艙基礎，其常見樣式如圖2所示。
優點：1）與傳統土建相比，鋼結構基礎只需進行少量的土建作業，即可滿足安裝條件；2）工廠化生產使風險在工廠可控，減少了現場風險管理的工作量；3）鋼結構基礎各組件在現場安裝時可自主調節以適應較差的地理條件；4）鋼結構基礎預制艙就位后可方便地安裝電纜，基礎空間為半開放式空間，不再需要單獨配置排水泵和檢修井。
1.3" " 全封閉預裝式鋼結構基礎
使用場景：1）高海拔地區、偏遠山區、海島等特殊地理條件下，大批量材料運輸難以抵達或成本極高；2）人力資源少、施工受自然條件約束大，巖石、硬土等土方作業在人力條件下極難進行；3）化工廠等受限園區約束不便展開大規模土方作業等場景。為盡量減少土建施工量，此時可采用預制全封閉基礎，此種基礎僅需要一定的平整和硬化作業，即可滿足預制艙就位需求。
其常見樣式如圖3所示。
這種基礎建設方式除上文鋼結構基礎的優點外，還具有以下優點：1）只需筏板作支撐，大大減少了土方作業量；2）和預制艙同步生產，現場同步組裝，大大縮短了整體施工周期；3）可根據氣候、環境等條件設計電纜敷設、保溫、制冷、通風、防塵等設施，可集成照明、報警、溫濕度檢測等智能系統，集成化、智能化程度進一步提高。
基礎建設方案應根據土建施工難度、經濟效益、環保等方面綜合考慮，表1列舉了三種建設方式的橫向對比。
2" " 仿真分析
基礎主體結構的荷載分析對于選擇合適的材料而言至關重要。首先，CAE分析可根據結構的使用環境和用途更好地確定其所需的強度和耐久性；其次，CAE分析可以幫助更好地選擇加工性和經濟性兼顧的材料；最后，CAE分析可以更好地確保艙體的穩定性和安全性。
2.1" " 工況選擇
進行分析的模塊化預制艙長35 m、寬6.7 m、高8.5 m，主要分為鋼結構基礎模塊、二層一次艙模塊、三層二次艙頂蓋模塊以及安裝附件，其模型示意圖及實際樣貌如圖4所示。為了保證吊裝、承重等工況下艙體有足夠的機械強度，采用整體焊接的形式，整體作為一個模塊。各個相鄰的模塊之間通過緊固件進行組裝連接。
經過前期計算，二層艙體重約70 t，設備重30 t，三層艙體重約70 t，設備約30 t，頂蓋重量約30 t。鋼結構基礎承重約230 t，即2 254 kN。
全封閉預裝式鋼結構基礎的特殊性設計主要體現在各個模塊的計算上。對于預制艙的各種工況來說，在雪載、風載、地震荷載作用下的鋼結構基礎受力最大，因此，選擇在這三種工況下驗證H型鋼與槽鋼焊接組合的新型鋼結構基礎方案的安全性與可靠性[1]。
2.2" " 分析模型的建立
為驗證該新型基礎結構設計的合理性，采用有限元分析法，建立艙體的三維有限元仿真模型，在靜止平放狀態下對關鍵結構件的強度及變形進行分析，最后給出變形及強度校核結果。由于艙體整體尺寸較大，綜合考慮分析結果的準確性和仿真效率，艙體承力框架組成構件的單元尺寸設置為50 mm。網格劃分完成后，總單元數為3 635 248萬個，總節點數量為11 627 100個。設定約束邊界為艙體底面施加完全固定約束。
強度分析時，根據設計規范[2]，考慮永久荷載（自重、內部設備荷載）和可變荷載（活荷載、雪荷載、風荷載、地震作用）組成的荷載組合。
結構材料選擇為Q235B結構鋼，材料屬性：彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，屈服強度為235 MPa，密度為7 850 kg/m3。
2.3" " 雪載分析
積雪以靜載的形式對預制艙頂部施加壓力，使得艙頂構件產生變形，積雪冰凍后溫度變化也會改變鋼型材結構的剛度特性。根據規范[2]，屋面水平投影面上的雪荷載標準值按下式計算：
Sk=μrS0 （1）
式中：Sk為雪荷載標準值；μr為屋面積雪分布系數；S0為基本雪壓，取0.35 kN/m2。
屋面積雪分布系數取1.0，因此雪荷載標準值為0.35 kN/m2。由此易得：艙體頂面雪荷載作用在頂面支撐構建的上表面，頂面框架承壓為0.003 274 MPa。
雪荷載分析結果如圖5所示：可知艙體最大變形量為1.552 mm，位于艙體頂框豎梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構件最大應力為129.91 MPa，位于艙體三層底架豎梁上，最大應力小于Q235B材料的許用屈服極限。
2.4" " 風載分析
計算預制艙抗風荷載的結構強度，主要考慮主受力結構的抗風強度。根據規范[2]要求，垂直于預制艙表面的風荷載標準值應按下式計算：
wk=βz μs μzw0 （2）
式中：wk為風荷載標準值；βz為高度z處的風振系數，取值1；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數，取值1；w0為基本風壓，取值0.45 kN/m2。
由式（2）易得出：艙體承力面上的所受荷載為0.002 86 MPa。
分析結果如圖6所示：可知艙體最大變形量為1.63 mm，位于艙體二層頂框豎梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構件最大應力為139.6 MPa，位于艙體三層底架上，最大應力小于Q235B材料的許用屈服極限。
2.5" " 地震荷載分析
地震設防烈度為8級，基本加速度為0.2g。
α1=（Tg/T1）η2αmax（3）
式中：α1為地震影響系數；T1為結構自振周期，T1=0.15×3=0.45；Tg為特征周期，取0.45；γ為衰減系數，取0.9；η2為阻尼調整系數，取1.0；αmax為水平地震影響系數最大值，取0.16。
將相關數據代入式（3）得：α1=0.16。
結構總水平地震作用標準值FEK=Geq×α1=G×0.85α1=2 254×0.85×0.16=306.544 kN。其中，Geq為結構等效總重力荷載；G為艙體總重力荷載代表值。
艙體各層水平地震作用標準值：
Fi=GiHi/∑GiHiFEK （4）
式中：Fi為第i層艙體水平地震作用標準值；Gi為第i層艙體結構總重力；Hi為第i層艙體結構重心高度。
將各層參數代入式（4），分別計算得到各層水平地震作用標準值，結果匯總如表2所示。
分析結果如圖7所示：艙體最大變形量為2.22 mm，位于艙體三層底架橫梁上，變形滿足撓度要求；艙體承力構件最大應力140.02 MPa，小于Q235B材料許用屈服極限。根據規范[3]，此艙體構件應力滿足要求。
3" " 結束語
預裝式變電站在地理條件和交通條件較差的地區相比于傳統電站具有極高的優越性，但基礎建設仍然對這種建站方式具有一定的限制性。本文在前期提出的鋼結構基礎的背景下[4]，針對高難度施工場景、集成化電纜敷設等又提出了全封閉預裝式鋼結構基礎方案，并基于ANSYS Workbench仿真分析軟件對該方案在雪載、強風、地震等工況下的力學性能進行了分析校驗。
[參考文獻]
[1] 郭勝軍，王偉.預制艙底座結構分析與優化設計[J].煤礦機械，2017，38（8）：87-89.
[2] 建筑結構荷載規范：GB 5009—2012[S].
[3] 建筑抗震設計規范：GB 50011—2010[S].
[4] 何顯江，燕飛飛，王說說，等.淺談鋼結構預制基礎[J].機電信息，2020（33）：1-3.
收稿日期：2024-05-14
作者簡介：張文威（1989—），男，安徽人，工程師，研究方向：預裝式變電站預制艙。
